定量實驗在《自感現象》中的教學探究

摘要對物理狀態、過程作定量的觀測，可以使認識事物的特性、特征向更深層次的本質認識發展。將“新系統”引入《自感現象》實驗教學，把《自感現象》實驗從“觀察”躍遷到“觀測”，這一躍遷是定性實驗難以做到的，這樣的新躍遷在力、熱、聲、電、磁、光中均有體現。新技術的應用不僅提高實驗的精度，更重要的是使實驗得到以往傳統器材無法得到的數據，精細地對稍縱即逝的物理變化信息的采集和分析處理能很好地幫助學生理解物理規律。

關鍵詞定量實驗 新實驗輔助系統

中圖分類號:G633.7文獻標識碼:A

物理學是一門以實驗為基礎的研究物質結構和相互作用及其運動基本規律的學科。實驗教學的質量很大程度上決定物理教學效果。

中學物理課程要求學生認真觀察演示實驗和做好分組實驗。物理實驗在物理課程中的地位是十分重要的。實驗中有許多奇妙的現象，可能是新奇的、令人驚訝的、意想不到的，它能激發學生的好奇心和求知欲，讓學生享受物理過程的美妙;做物理實驗需要學生去觀察、發現，提出許多的問題，這對于培養學生的問題意識、觀察能力，從根本上激發學習的內在動機，是十分有益的;實驗中滲透著科學家進行探究的思想和科學方法，而這種科學方法只能靠實踐的感受、體驗和領悟而為學生逐步掌握。

定性觀察實驗要求對物質的組成有所了解，但僅僅涉及到性質。比如“顏色”僅是對色彩的定性辨別。定量觀測要求到物質的組成以及在各物質的含量問題。比如“頻率(或波長)”則是對色彩的本性的本質認識。

對物理狀態、過程作定量的觀測，可以使認識事物的特性、特征向更深層次的本質認識發展。

當然，定性觀察和定量觀察是相輔相成的，對某些物理現象只要作定性的實驗觀察，讓學生大體了解這些物理現象就可以了;對某些物理現象就要爭取在定性觀察的基礎上做到定量的觀測，以幫助學生更好地理解物理規律、定理。做好定量觀測實驗始終是我們的不懈追求。

回顧近二十幾年以來我們的中學物理教科書，不難發現一旦條件基本具備，教科書就會不失時機地增加一些新的定量實驗內容，比如，利用氣墊導軌、光電門、毫秒計時器(數字顯示測試儀)及打點計時器定量觀測一系列運動學、動力學物理問題;等勢面描繪;電子束在電場、磁場中的偏轉;雙縫干涉測波長等等，不勝枚舉。

近年來，由各種傳感器、數據采集器、計算機軟件(Sensor， data acquisition， computer software)構成的新實驗輔助系統(以下簡稱“新系統”)正在我國中學物理實驗教學中逐步被推廣應用。特別是實行新課改后，新版的人教版、滬科版、粵教版、蘇科版等版本教材都不同程度地使用了目前最高檔次的“新系統”。新技術的應用不僅提高實驗的精度，更重要的是使實驗得到以往傳統器材無法得到的數據，開拓了學生的思維空間。

筆者在《自感現象》這一節課的教學中，將定性實驗和“新系統”下的定量實驗有機結合，取得了較好的教學效果?，F做如下介紹:

課題:《自感現象》

1 通電自感

(1)定性實驗。實驗器材:直流電源E、開關K、線圈L、變阻箱R'、兩只相同參數的小燈泡A1和A2、導線若干連接成的示教板(電路如圖一所示)。

定性實驗得到的實驗現象:接通電源，可以明顯地看到，跟電感線圈L串聯的小燈泡A1達到正常亮度所用的時間明顯地比跟變阻箱R'串聯的小燈泡A2長(本節課的中心內容之一)。

解釋現象:略(本節課的中心內容之一;教科書中有準確的描述，故在此略去)。

(2)“新系統”定量實驗。將兩個電壓傳感器分別并聯在燈A1、A2兩端，重做上述實驗，除了觀察到上述同樣的現象外，“新系統”適時采集到了A1、A2兩端電壓V1、V2隨時間變化情況，并將數據用圖像描述顯示到屏幕上(圖二)。

觀測分析“新系統”記錄的V-t圖像:綠、紅兩圖線分別是A1、A2兩端電壓在開關通、斷過程中隨時間變化的情況。

①圖像明顯描述了閉合開關接通電源時V1比V2延遲的情況，在圖二中可以讀出延遲時間大于0.15秒，實際操作時完全可以通過時間軸拉伸、坐標測量等方法準確讀出其延遲時間(本節課的中心內容之一)。

②還觀測到斷開電源后V1的衰減和V2的反向及快速衰減的情況。為什么通電時V1的延遲時間比斷電時V1、V2的衰減時間長?V2為何反向?V1、V2的衰減時間為什么一樣長?這幾個問題成為“新系統”定量實驗的“節外生枝”，如果電路參數發生變化，這些節外生枝的細節也會有變化。處理好這幾個問題對學生深入理解自感現象的本質有著重要的意義，同時也為第二個實驗做了一個鋪墊。

③接通電源后V2為什么沒有立即達到最大值?這是本實驗的又一個“節外生枝”。

合理的解釋應該是:燈絲電阻在燈被點亮過程中，阻值隨溫度作非線性的變化，溫度升高，阻值增大，電流、電壓也就有了一個增大的過程。

(3)為了證實這一解釋，我們改用兩個10歐左右的定值電阻代替燈A1和A2，重做上述實驗。實驗觀測結果見圖三。

觀測分析“新系統”記錄的V-t圖像:

①用定值電阻代替小燈泡后，與電阻箱串聯的電阻R2兩端的電壓V2’是立刻跳至最大值，這表明上述解釋是正確的;與電感線圈串聯的電阻R1兩端電壓V1’仍有0.1秒的延遲，這表明延遲時間的長短與電路中的電阻值相關。

②穩定后的V1’、 V2’比V1、V2大，表明燈絲的熱電阻小于10歐。

③斷電衰減時間也發生稍許變化，表明斷電衰減時間和通電延遲時間相似，都與電路中的電阻值相關(注)，但主要的原因還是線圈的自感電動勢。同時，由于電路中電阻發生變化，斷開電源后加在R2兩端的反向電壓也與加在燈A2的反向電壓不同，這表明斷開電源后，線圈產生的感應電動勢在回路中的分配與回路中各電阻阻值大小有關。

2 斷電自感

要明顯觀測到斷電自感現象是不能再用圖一所示的電路了，如同課本所述，我們改用圖四所示電路探討斷電自感現象。

在實驗一的a、b中我們已經知道，斷開電源瞬間，加在與電感線圈并聯的小燈泡兩端電壓是反向的，為了觀察這一現象，我們在電路中并聯一只發光二極管，使其極性與電源極性相反，接通電源時，發光二極管加的是反向電壓，不亮。串聯一只電阻是為了保護發光二極管正向導通時不因電流太大而燒毀。

將電壓傳感器并聯在電路中，我們先注意觀察電源通、斷時燈和發光二極管亮度變化情況，而后再慢慢分析“新系統”為我們記錄下來的數據圖表信息。

觀察到的現象:接通電源后，小燈泡發光正常，發光二極管不亮。斷開電源時，小燈泡沒有立即熄滅，相反，小燈泡會很亮地閃一下，同時，發光二極管也閃了一下(本節課的中心內容之一)。

解釋現象:略(本節課的中心內容之一)。

觀測分析“新系統”記錄的V-t圖像(圖五):

(1)“新系統”記錄了在斷開電源瞬間有一反向電壓加在與電感線圈L并聯的小燈泡兩端，這個約10伏的斷電自感電動勢遠大于電源的路端電壓(本節課的中心內容之一)。

可是，它很快就衰減到零(“節外生枝”之一)，從圖五左邊時間軸被放大后的局部圖中可以讀出其衰減時間不足0.01秒。當然，關于衰減快慢等問題一定會在同學們的腦海中打好幾個問號，我們知道，關于時間常數等問題不易在課堂上講，不過，留給同學們一些思考空間是很有益處的。

(2)我們當然已經注意到“新系統”記錄下的接通電源時的情況(“節外生枝”之一)，在接通電源瞬間電壓有7.8伏而后很快降低到較穩定的5伏左右，這是為什么?我想，解釋這一現象并不難，同學們也是可以接受的，不妨用些時間解惑。

從圖五中我們知道，“新系統”測量記錄的是電源的路端電壓，接通電源，電路穩定后，并聯的外電路等效電阻很小(用1毫米直徑的銅漆包線在直徑3厘米、長20厘米的鐵心上繞300匝左右的線圈的直流電阻約只有0.5歐(實測)，8伏3瓦的小燈泡熱燈絲電阻約20歐)，電源輸出的電流很大，電源內壓降就大，而開關閉合瞬間，由于感抗作用，電流相對很小，即接通電源時電路遵循U=E-Ir規律。我們可以比較實驗一(c)及圖三得以證實，實驗一(c)電路的并聯等效電阻較大(用整個自耦變壓器線圈的直流電阻RL約11歐，定值電阻10歐，另一支路中的變阻箱本來就是用來平衡RL的)，所以接通電源時Ir的變化不大，電壓圖線僅稍許“上揚”。

3 自感系數

用實驗一電路中的電感線圈(自耦變壓器)替換實驗二電路中的電感線圈，重做斷電自感實驗，將“新系統”記錄的圖像與實驗二的圖五比較，說明自感系數與什么因素有關(本節課的中心內容之一)。 (下轉第173頁)(上接第167頁)

將“新系統”引入《自感現象》實驗教學，把《自感現象》實驗從“觀察”躍遷到“觀測”，這一躍遷是定性實驗難以做到的。這樣的新躍遷在力、熱、聲、電、磁、光中均有體現。新技術的應用不僅提高實驗的精度，更重要的是使實驗得到以往傳統器材無法得到的數據，精細地對稍縱即逝的物理變化信息的采集和分析處理能很好地幫助學生理解物理規律。實驗中還有可能出現許多奇妙的現象，可能是新奇的、令人驚訝的、意想不到的，這些“節外生枝”更能激發學生的好奇心和求知欲，讓學生享受物理過程的美妙，開拓學生的思維空間。當然，我們教師對演示實驗過程中的“中心內容”和“節外生枝”完全可以根據學生、教材等課堂的具體情況作妥善處理，孰重孰輕全憑教師的技藝了。特別應該說明的是，我們不能因為將“新系統”引入實驗教學會出現一些“節外生枝”而排斥“新系統”，所謂“節外生枝”實際都是物理之本征，它們本就存在著，只是“新系統”將它們顯現出來罷了，如何避輕就重才是我們要關注的。